段 彬

（康達(dá)環(huán)保水務(wù)有限公司，河南 焦作 454000）

隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，污水排放標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提高。為保證污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行,加大電氣自動(dòng)化技術(shù)在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用意義重大。電氣自動(dòng)化技術(shù)不僅提高了污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的安全性,還提高了污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行效率。發(fā)展?jié)M足排放要求、處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低、國產(chǎn)化程度高且自動(dòng)化水平高的污水處理控制系統(tǒng)，符合國家節(jié)能減排的要求，對(duì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1.工藝流程

某污水處理廠工藝流程如圖1所示,工藝采用“A/A/O生物池+混合沉淀+濾池過濾”,設(shè)計(jì)出水一級(jí)A標(biāo)。

圖1 某污水處理廠工藝流程圖

污水先經(jīng)過集水井后的粗格柵去除較大的固體雜物，保證后續(xù)處理設(shè)施能夠正常運(yùn)行。然后，污水由提升泵提升至細(xì)格柵,去除較小的固體雜物，柵渣分別經(jīng)過皮帶輸送機(jī)、螺旋輸送機(jī)送走。經(jīng)粗、細(xì)格柵處理后的污水進(jìn)入旋流沉砂池，利用旋流的作用，去除污水中大部分的無機(jī)砂粒，從而減輕一級(jí)處理負(fù)荷。

經(jīng)過預(yù)處理的污水到A/A/O生物池。生物池是污水處理廠的核心區(qū)，利用運(yùn)行設(shè)置的缺氧、厭氧、好氧的條件，去除BOD、COD、N、P等污染物。污水經(jīng)過生物池后排放至二沉池。二沉池的主要作用是進(jìn)行泥水分離，它的設(shè)計(jì)是周邊進(jìn)周邊出的輻流式沉淀池，分離后的上清液經(jīng)過出水堰溢流出去，進(jìn)行后續(xù)處理，底部沉降的活性污泥進(jìn)入回流泵房，少部分活性污泥由剩余泵輸送到污泥車間進(jìn)行板框壓榨，做無害化處理。為保持生物池內(nèi)一定污泥濃度，大部分活性污泥由回流泵輸送回流至生物池，二級(jí)處理完成。

二級(jí)處理完成后的污水經(jīng)過中間提升泵提升到混凝沉淀池，混凝沉淀池的主要作用是進(jìn)一步去除磷的含量，降低水的濁度、色度等感觀指標(biāo)。上清液從出水堰流出，進(jìn)入D型濾池過濾，主要去除水中的懸浮物，同時(shí)去除部分COD、BOD、TP。從D型濾池出來的污水進(jìn)入接觸消毒池與消毒劑混合，殺死污水中的病原性微生物，成為符合國家排放標(biāo)準(zhǔn)的清水后排放。

2.自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成

該污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)基于某污水處理廠工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用技術(shù)先進(jìn)成熟、具有開放性結(jié)構(gòu)、易于擴(kuò)充、易于與其他系統(tǒng)集成的集散控制體系[1]，系統(tǒng)組成如圖2所示。本系統(tǒng)將各PLC控制站、中央控制室的監(jiān)控主機(jī)通過工業(yè)以太網(wǎng)相連，通過工業(yè)光纖環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成環(huán)網(wǎng)，形成一個(gè)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)。環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有自身的優(yōu)點(diǎn)，比如冗余性、可靠性等，能夠保證系統(tǒng)快速響應(yīng)、可靠安全運(yùn)行。該控制系統(tǒng)為監(jiān)測(cè)和控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備提供高速的通訊鏈路，它允許大量計(jì)算機(jī)、控制器及其他設(shè)備在以太網(wǎng)上進(jìn)行遠(yuǎn)距離的通信，擴(kuò)展性能極強(qiáng)。各設(shè)備和測(cè)控儀表與各PLC分站的I/O模塊相連，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制的功能。通過海為云平臺(tái)，可以對(duì)污水處理設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)控制、自動(dòng)控制以及遠(yuǎn)程控制，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)把污水處理控制參數(shù)編進(jìn)程序中，降低了對(duì)操作人員知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的依賴。通過該自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以對(duì)全廠進(jìn)行集中管理、實(shí)時(shí)監(jiān)視和資源共享，保證了整個(gè)污水處理系統(tǒng)高效、安全地運(yùn)行。

圖2 自控系統(tǒng)圖

2.1 PLC系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用國產(chǎn)海為PLC控制,為模塊式結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是功能多、產(chǎn)品穩(wěn)定、性能優(yōu)越、擴(kuò)展靈活[2]。在分析現(xiàn)有各種 PLC 指令的基礎(chǔ)上，海為PLC 推出了許多功能強(qiáng)大的創(chuàng)新性便利指令，只需一條指令便可實(shí)現(xiàn)其他 PLC 需用多條指令來實(shí)現(xiàn)的功能，且指令易于理解和使用，極大地提高了程序運(yùn)行速度，減少了程序編寫和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間，方便了技術(shù)人員的調(diào)試工作，提高了工作效率。一個(gè)PLC站由以下幾個(gè)部分組成：電源模塊、處理器模塊、開關(guān)量I/O模塊、模擬量I/O模塊。編程后的PLC按照內(nèi)部程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，按程序啟停設(shè)備。

就地控制箱現(xiàn)場(chǎng)控制和采用PLC自動(dòng)控制是污水處理廠電氣設(shè)備主要采用的兩種控制方式?？刂葡到y(tǒng)的控制模式有三種：手動(dòng)模式、點(diǎn)動(dòng)模式、自動(dòng)模式。自動(dòng)模式下，設(shè)備的運(yùn)行完全由各PLC根據(jù)污水處理廠的工藝參數(shù)及工況來完成設(shè)備的起?？刂?，不需要人工參與。點(diǎn)動(dòng)模式即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制模式，操作人員通過中心控制系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面，用鼠標(biāo)或鍵盤來控制設(shè)備。手動(dòng)模式是通過就地控制箱上的按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的啟停操作?？刂苾?yōu)先級(jí)由高到低的順序?yàn)槭謩?dòng)模式、點(diǎn)動(dòng)模式、自動(dòng)模式。

根據(jù)工藝流程(圖1)布置，PLC系統(tǒng)分為六個(gè)控制站。PLC1站控制粗格柵、提升泵、細(xì)格柵、旋流沉砂池處設(shè)備并采集所在位置儀表參數(shù)數(shù)據(jù)。粗格柵由一號(hào)、二號(hào)粗格柵及粗格柵輸送機(jī)構(gòu)成，有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種控制方式。自動(dòng)模式下的“定時(shí)”按設(shè)置好的“運(yùn)行時(shí)間”和“停止時(shí)間”來啟停設(shè)備。自動(dòng)模式的“液位差”根據(jù)液位差來控制設(shè)備啟停。

污水處理過程中,污水提升泵房設(shè)備的控制對(duì)整個(gè)工藝流程的連續(xù)、穩(wěn)定和平衡起著十分重要的作用。提升泵有四臺(tái)，一號(hào)提升泵為變頻器控制，其他三臺(tái)為軟啟動(dòng)器控制。提升泵有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種控制方式，自動(dòng)模式根據(jù)液位來控制設(shè)備啟停，在泵房設(shè)超聲波液位儀表,控制系統(tǒng)將根據(jù)泵房的液位變化來控制污水泵的開啟數(shù)量。當(dāng)泵房水位高至某一設(shè)定的水位值時(shí)，PLC系統(tǒng)將按軟件程序自動(dòng)增加水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；相反,當(dāng)泵房水位降至某一設(shè)定的水位值時(shí)，PLC系統(tǒng)將按軟件程序自動(dòng)減少水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。同時(shí)，系統(tǒng)累計(jì)各個(gè)水泵的運(yùn)行時(shí)間,自動(dòng)輪換水泵，保證各水泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)間基本相等,使其保持最佳運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備及生產(chǎn)過程安全和穩(wěn)定。一般情況下，也可手動(dòng)按照先停先啟的順序,啟動(dòng)其他備用提升泵。還可以設(shè)置相應(yīng)泵的檢修位，讓此泵退出自動(dòng)控制，停歇一段時(shí)間。當(dāng)水位降至超低停泵水位時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)控制全部水泵停止運(yùn)行。通過監(jiān)控管理系統(tǒng),可以設(shè)置超低停泵水位值。

細(xì)格柵由一號(hào)、二號(hào)細(xì)格柵及細(xì)格柵輸送機(jī)、兩臺(tái)反沖洗水泵構(gòu)成，控制方式與粗格柵一樣，不再敘述。

旋流沉砂池同樣有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種控制方式，自動(dòng)模式按設(shè)置好的“運(yùn)行時(shí)間”和“停止時(shí)間”來周期啟停設(shè)備。

PLC2站控制A/A/O生物池處設(shè)備并采集所在位置儀表數(shù)據(jù)。生化池分為一號(hào)池、二號(hào)池，每個(gè)池子里有兩個(gè)電動(dòng)閥、兩個(gè)調(diào)節(jié)閥、14個(gè)攪拌器及4個(gè)內(nèi)回流泵，所有設(shè)備均為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)控制。手動(dòng)控制由現(xiàn)場(chǎng)控制，點(diǎn)動(dòng)控制由上位機(jī)控制，可根據(jù)工藝需求啟停相關(guān)設(shè)備。

電動(dòng)閥和粗格柵電動(dòng)閘門控制方式一樣，均為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)控制，可以通過設(shè)置調(diào)節(jié)閥閥門開度來控制曝氣量的大小。攪拌機(jī)和內(nèi)回流泵均為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)控制，一般為24小時(shí)常開。

PLC3站采集污泥板框壓榨車間處設(shè)備狀態(tài)及所在位置儀表參數(shù)數(shù)據(jù)。污泥板框壓榨車間設(shè)備控制方式有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種，自動(dòng)模式按設(shè)備啟停順序自動(dòng)啟停。

PLC4站控制中間提升泵、回流泵房處設(shè)備并采集所在位置儀表參數(shù)數(shù)據(jù)。中間提升泵共有四臺(tái)，控制方式與提升泵相同?；亓鞅霉灿形迮_(tái)，控制方式有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種，自動(dòng)控制時(shí)根據(jù)時(shí)間段來控制?；亓鞅梅刻幍氖Ｓ啾霉矁膳_(tái)，控制方式有手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、自動(dòng)三種,自動(dòng)控制時(shí)根據(jù)剩余污泥儲(chǔ)泥池液位來控制。當(dāng)剩余污泥儲(chǔ)泥池液位比較低，達(dá)到啟泵液位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)一臺(tái)運(yùn)行時(shí)間較短的剩余泵；當(dāng)剩余污泥儲(chǔ)泥池液位較高，達(dá)到停泵液位時(shí)停泵。

PLC5站控制二沉池、混合反應(yīng)池處設(shè)備并采集所在位置儀表參數(shù)數(shù)據(jù)。二沉池、沉淀池共4臺(tái)刮泥機(jī)，控制方式為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)。沉淀池設(shè)備有2臺(tái)混合攪拌器、4臺(tái)絮凝攪拌器、2臺(tái)刮泥機(jī)、5臺(tái)污泥泵，全為手動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)控制。其中，混合攪拌器、絮凝攪拌器、污泥泵都為變頻設(shè)備，可根據(jù)工藝要求手動(dòng)設(shè)置頻率，讓設(shè)備以設(shè)置的頻率運(yùn)行。

PLC6站控制D型濾池、接觸消毒池、出水口處設(shè)備并采集所在位置儀表參數(shù)數(shù)據(jù)。D型濾池由8個(gè)池子、3臺(tái)反沖洗水泵、3臺(tái)反沖洗風(fēng)機(jī)及相應(yīng)的啟閉機(jī)組成，控制方式有3種，自動(dòng)模式按設(shè)置好的運(yùn)行時(shí)間和停止時(shí)間來周期啟停設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)pH、COD、流量、液位、溶解氧、SS等儀表輸出的4—20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過屏蔽電纜連接到PLC的AI模塊。各模擬量輸出控制信號(hào)是以4—20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),從PLC的AO模塊通過屏數(shù)電纜連接到相應(yīng)設(shè)備，這些設(shè)備包括調(diào)節(jié)閥、變頻器，各模擬量信號(hào)與PLC模擬量模塊中間加裝隔離器。數(shù)字輸入信號(hào)為24 V直流電信號(hào)，通過電纜接至PLC的DI模塊[3]。電氣設(shè)備的故障信號(hào)和運(yùn)行狀況、模擬量信號(hào)，經(jīng)過PLC采集后，傳遞到中央控制室進(jìn)行監(jiān)測(cè)。數(shù)字量輸出控制信號(hào)為24 V直流電信號(hào)，從PLC的DO模塊通過電纜接至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。為了使現(xiàn)場(chǎng)與PLC完全隔離，PLC所有數(shù)字量模塊與現(xiàn)場(chǎng)中間加輔助繼電器。所有模擬量輸出信號(hào)和數(shù)字量輸出信號(hào)由PLC內(nèi)部程序或上位機(jī)指令控制。

各PLC通過工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，PLC之間通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，對(duì)污水處理的各環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)控制。為了保證PLC系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，應(yīng)采取相應(yīng)的接地、防雷、電源隔離等措施。

采用多個(gè)PLC站具有現(xiàn)場(chǎng)分散、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，即使某臺(tái)PLC出現(xiàn)故障，僅影響它所控制的區(qū)域，不會(huì)影響其他PLC控制站的正常運(yùn)行，給系統(tǒng)維護(hù)、檢修帶來方便。數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制任務(wù)由PLC承擔(dān)，上位機(jī)承擔(dān)人機(jī)界面、報(bào)表打印等監(jiān)控功能。這樣降低了系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，即使上位機(jī)出現(xiàn)故障，也不影響PLC的運(yùn)行，污水處理過程仍能正常運(yùn)行。

2.2 上位機(jī)組態(tài)部分

上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件采用海為云組態(tài)軟件。海為云組態(tài)軟件（Haiwell Cloud SCADA）是基于NET Framework的工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控管理平臺(tái)軟件。海為云組態(tài)的 SCADA 運(yùn)行端基于最新的技術(shù)打造，可跨平臺(tái)，擁有強(qiáng)大的運(yùn)行性能。海為云組態(tài)軟件不僅集成了傳統(tǒng)上位機(jī)組態(tài)軟件的所有功能，還能提供其他更多功能。

海為云組態(tài)軟件有強(qiáng)大的界面顯示組態(tài)功能，組態(tài)現(xiàn)場(chǎng)工藝流程畫面，通過畫面的各種圖元與點(diǎn)位圖，可直觀地觀察到污水處理的現(xiàn)場(chǎng)情況，以對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過點(diǎn)擊設(shè)備圖標(biāo)，可以查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。上位機(jī)畫面包括“工藝流程圖”“局部工藝控制圖”“參數(shù)修改設(shè)定”“實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警”“各類參數(shù)實(shí)時(shí)趨勢(shì)、歷史趨勢(shì)”等各種功能畫面。PLC采集的現(xiàn)場(chǎng)模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)，在上位機(jī)畫面中以文字或圖形方式顯示。上位機(jī)對(duì)重要工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示，并記錄歷史曲線，便于查看變化過程，及時(shí)調(diào)整工藝。

工作人員可在操作站的人機(jī)界面上進(jìn)行報(bào)警上下限、運(yùn)行時(shí)間等參數(shù)的設(shè)定。海為云組態(tài)軟件具有豐富的報(bào)警通知功能，可將污水處理現(xiàn)場(chǎng)的報(bào)警信息通過畫面、計(jì)算機(jī)語音、微信、短信、郵件等形式，及時(shí)通知相關(guān)工作人員，以便于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理和監(jiān)控，并針對(duì)實(shí)際情況準(zhǔn)確發(fā)出操作命令。在污水處理廠有限空間作業(yè)時(shí)，如硫化氫值超上限，將危及作業(yè)人員人身安全，海為云組態(tài)軟件通過各種報(bào)警形式，及時(shí)通知到相關(guān)人員，保障了人身安全。海為云組態(tài)軟件還可針對(duì)重要設(shè)備的溫感和煙感進(jìn)行檢測(cè)，查看現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)控點(diǎn)視頻，及時(shí)將報(bào)警信息通知相關(guān)工作人員。

海為云組態(tài)軟件可對(duì)重要數(shù)據(jù)如工藝參數(shù)、工況、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，方便查看。通過海為數(shù)據(jù)互聯(lián)工具，可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)存入MySQL、SQL Server等數(shù)據(jù)庫，并支持?jǐn)?shù)據(jù)下發(fā)。海為云組態(tài)軟件提供開放的接口，支持多種數(shù)據(jù)庫，使用戶的操作使用以及軟件的二次開發(fā)更加便捷。

本系統(tǒng)的部分參數(shù)直接關(guān)系到系統(tǒng)的計(jì)量和控制，不能隨意修改，只有被賦予相應(yīng)權(quán)限的工作人員和系統(tǒng)操作人員才能修改。因此，在對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行修改前，應(yīng)先進(jìn)行登錄操作，獲得必要的操作權(quán)限。海為云組態(tài)軟件周密的系統(tǒng)安全防范，提高了工程運(yùn)行的安全性。

海為云組態(tài)軟能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)監(jiān)控體系無法實(shí)現(xiàn)的控制要求。利用海為云組態(tài)軟件具有的云透?jìng)鞴δ?，可遠(yuǎn)程編程及監(jiān)控，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員和系統(tǒng)工程師隨時(shí)隨地在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方，通過手機(jī)或電腦就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，打破了傳統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控模式對(duì)于地理位置的局限性，降低人力物力成本，精準(zhǔn)應(yīng)對(duì)每臺(tái)設(shè)備，對(duì)故障設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)進(jìn)行針對(duì)性的記錄，提高了設(shè)備的使用壽命。

3.結(jié)語

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展,電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)應(yīng)用也越來越普遍。將國產(chǎn)海為云組態(tài)軟件和PLC應(yīng)用于污水處理廠控制系統(tǒng)，不僅可以提高污水處理運(yùn)行效率和故障處理效率,保證污水處理系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，也使生產(chǎn)資源得到集中使用，降低生產(chǎn)成本。